实验1 γ射线能谱的测量预习报告

1、Y射线能谱的测量光信息081 邵顺富 08620122 摘要：本实验要求大家了解NaI （TI）闪烁探测器的结构，并对其工作原理有一定的认识。 Y射线射入闪烁体，通过光电效应、康普顿效应和电子对产生这三种效应，产生次级电子， 再由这些次级电子去激发闪烁体发光。所发之光被光电倍增管接收，经光电转换及电子倍增 过程，最后从光电倍增管的阳极输出电脉冲。分析、记录这些脉冲就能测定射线的强度和能 量，从而得到Y射线的能谱。关键词：闪烁探测器Y射线能谱引言：Y射线是原子核从激发态跃迁到较低能态时发射的波长很短的电磁辐射。其能量由原 子核跃迁前后的能级差来表示:Y射线与物质发生相互作用则产生次级电子或能量较

2、低的射 线，将Y射线的次级电子按不同能量分别进行强度测量，从而得到Y辐射强度按能量的分布， 即为“Y能谱”。本实验采用NaI（TI）单晶闪烁谱仪测量“Y能谱”。研究Y射线的能 谱对于放射性核素的应用和研究原子核的能级结构有很重要的意义。闪烁探测器在科学技术的许多部门有着十分重要的应用，它的主要优点是：既能探测 各种类型的带电粒子，又能探测中性粒子，既能对辐射强度进行测量，又能对辐射的能量 进行分析，而且探测效率高（比G-M计数器高几十倍），分辨时间短（约10秒）。通过本 实验，你将学习掌握一种测量射线能量的方法：用NaI（Tl）闪烁探测器测量Y能谱。一、实验背景Y辐射是处于激发态原子核损失能量

3、的最显著方式。光子（Y射线）会与下列带电体发生 相互作用：1）被束缚在原子中的电子；2）自由电子（单个电子）；3）库仑场（核或电子的）； 4）核子（单个核子或整个核）。这些类型的相互作用可以导致下列三种效应中的一种：1）光子的完全吸收；2）弹性散 射；3）非弹性散射。因此从理论上讲，Y射线可能的吸收和散射有12种过程，但在从约 10KeV到约10MeV范围内，大部分相互作用产生下列过程中的一种：光电效应、康普顿效应、 电子对。二、实验目的了解闪烁探测器的结构、原理；掌握Nal （T1）单晶Y闪烁谱仪的几个性能指标和测试方法；了解和电子学仪器的数据采集、记录方法和数据处理原理；三、实验内容学会N

4、aI（Tl）单晶Y闪烁谱仪整套装置的操作、调整和使用，调试一台谱仪至正常工作 状态。测量137Cs的Y能谱，求出能量分辨率、峰康比、线性等各项指标，并分析谱形。了解多道脉冲幅度分析器在NaI（Tl）单晶Y谱测量中的数据采集及其基本功能数据处理（包括对谱形进行光滑、寻峰，曲线拟合等）。四、实验原理（一）Y射线与物质的相互作用放射性核素放射出来的带电粒子(a、p粒子以及内转换电子)与物质相互作用主要 为电离、散射和吸收三个方面。Y射线是不带电的电磁辐射，它与物质的相互作用主要有 光电效应，康普顿效应和电子对效应三个过程。光电效应入射的Y光子把能量全部转移给原子中 的束缚电电子子，使之发射出来，而光

5、子本身 消失。光电效应中发射出来的电子叫光电子。 这过程如右图所示Ey = E, + E. M实验和理论都表明，Y射线与物质相互作用时，产生光电效应的几率随着物质原子序 数的增大而迅速增大，又随着Y射线的能量增大而减小。康普顿效应 入射的Y光子与物质原子的核外电子发生非 弹性核碰撞，一部分能量转移给电子，使它脱 离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运 动方向发生变化，这一过程称为康普顿效应a 人射 光子散射hv 电子c电子对效应当Y光子从原子核旁边经过时，在原子核 的库仑场作用下，Y光子转化为一个正电子和 一个负电子，这种过程称为电子对效应。根据能量守恒定律，只有当入射丫光子的 能量大电子对

6、于2m C2时才能发生电子对效应， 入射丫入射光子光子的能量除了一部分转变 为正负电子对的静质量(1.022MeV)外，其余就 作为它们的动能。一般，Y射线的能量越大， 产生正负电子对的几率也越大。(二)Y射线能谱的测量闪烁探测器的工作可分为五个相互联系的过程：射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离 和激发；受激原子、分子退激时发射荧光光子；利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效 应，光子在光阴极上击出光电子；光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104109个，电子流在阳极负载上产 生电信号；此信号由电子仪器记录和分

7、析。某些物质的原子核能发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到的射线，核辐射主要有 a、8、y三种射线。我们通过不同的实验仪器能够探测到这些肉眼无法看见的射线。本实 验使用的是Y闪烁谱仪。Y闪烁谱仪内部含有闪烁体，可以把射线的能量转变成光能。实验 中采用含TI （铊）的NaI晶体作Y射线的探测器。由原子物理学中可知Y射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿散射和正、负电 子对产生这三种过程，最终实现了能谱图样的输出如下：图中的横坐标CH表示道数，与能量成正比，纵坐标表示强度，也就是射线的密集程度， 与计数成正比。显然多于实验产生了多个峰值，但是B/C/D这三个峰值的能量比较低，不适合我们记录，

8、 为了能够同时获得高能量以及大密集度的峰值我们选取最右端的峰值，也就是A峰。这个 峰我们又把它称为全能峰。实验过程中要保证最终的峰值与图中A峰的CH （道数）尽量的 接近，这样测得的结果才有实验价值。由于射线与物质相互作用，导致射线通过一定厚度物质后，能量或强度有一定的减弱， 称为物质对射线的吸收。研究物质对射线的吸收规律，不同物质的吸收性能等，在防护核辐 射、核技术应用和材料科学等许多领域都有重要意义。五、实验装置脱）可瓣艘示疆六、实验步骤：连接好实验仪器线路，经教师检查同意后接通电源。开机预热后，选择合适的工作电压使探头的分辨率和线性都较好。把y放射源137Cs放在探测器前，调节高压和放大倍数，使137Cs能谱的最大脉冲幅度 尽量大而又不超过多道脉冲分析器的分析范围。分别测137Cs的全能谱并分析谱形，指明光电峰、康普顿平台和反散射峰。利用多道数据处理软件对所测得的谱形进行数据处理，分别进行光滑化、寻峰、半宽度 记录、峰面积计算、能量刻度、感兴趣区处理等工作并求出各光电峰的能量分辨率。根据实验测的相对于0.661MeV、1.17MeV、1.33MeV的光电峰位置，作ECH能量定标曲 线（0.184MeV的137Cs反散射峰也可记录在内）。对上一步骤所得结果进行最小二乘拟合，求出回归系数，并判断闪烁探测器的线性。定标曲线的应用：测量137Cs谱形，积累一定计数（0.661Me